考虑盐碱土固化下胶东调水干渠衬砌结构设计研究

2024-02-29颜晓晓

水利技术监督 2024年2期

颜晓晓

(山东省调水工程运行维护中心潍坊分中心，山东潍坊 261061)

输水灌渠衬砌结构稳定性受多方面因素影响[1-2]，在进行衬砌结构设计时，应综合考量包括渠道土体性质、渠坡渗流状态以及工程所在环境。衬砌结构冻胀破坏与土体、保温结构以及衬砌厚度等密切相关[3-4]，研究渠道衬砌结构设计合理性，有助于提升固化土渠道衬砌结构抗冻胀能力。高丹[5]、吉晔等[6]从衬砌结构材料遴选入手，从隔热保温材料至保温板等新型材料，有目的性改变传统单一衬砌材料，提升衬砌结构防冻胀作用。马小涵等[7]、吴文杰等[8]从渠基土的冻胀特性入手，分析渠基土冻胀特性对衬砌结构危害特征，进而从衬砌设计方案的适配性，确保输水渠道不受冻胀破坏威胁。李响[9]、王海丽[10]借助数值仿真计算方法，采用ANSYS、ABAQUS等计算平台建立了输水渠道仿真模型，与之相匹配土体本构方程，研究衬砌结构冻胀力、冻胀位移影响变化，揭示衬砌设计参数对渠道防冻胀影响机理，为优化衬砌设计提供依据。因而，本文考虑工程实际，结合理论仿真计算，探讨盐碱固化土衬砌厚度参数影响特性，并基于冻胀力、冻胀位移表现，评价设计方案合理性。

1 研究方法

1.1 工程概况

作为山东半岛重要输水通道，胶东调水枢纽工程承担着农业用水及工民业用水调度，共有南、北两侧并行运营，地下水深度维持在16～25m，年输水量超过10亿m3，也承担着地区生态补水、保障防洪排泄重要职责。该调水枢纽工程输水干渠建设总长度为290km，联通着各农业灌区、补水区以及蓄水单元区，沿线干、支渠途径地区最低气温为-20～-25℃，夏季时间持续至7—8月，输水流量最大的月份为9—10月，但泄流量最高为7月，输水渠基所在场地冻土层厚度超过2.5m。由设计资料得知，输水干渠最宽处为1.8m，渠坡及渠基土中含有盐碱土、碎石砂土等，而渠基土中主要为盐碱土，土壤深度分布为0～1.5m、1.5～2.5m两层，在极低温度下盐碱固化土的含水量、厚度以及冻胀特性，对输水渠道衬砌结构均有负面影响，要确保胶东调水枢纽输水主渠衬砌结构科学设计，首要需要探讨渠基盐碱固化土对衬砌结构影响。盐碱土对衬砌结构破坏来源于自身冻胀，从而引起渠道衬砌结构温度、湿度、水位、冻胀力以及冻胀位移等参量变化，当超过失稳临界值时，衬砌结构发生破坏失效。图1为现建设的输水主渠衬砌结构监测示意，受盐碱土固化影响，衬砌结构的冻胀力、位移等均超过允许量，渠道衬砌安全受到威胁。因而，有针对性探讨盐碱土冻胀特征很有必要。

图1 衬砌结构监测示意

1.2 研究模型

相比常规土体，盐碱固化土冻胀特性受自身矿物成分、厚度、含水量影响，为准确描述渠基盐碱固化土冻胀特征，引入冻土本构模型，包括有弹性变形与塑性变形两部分，下式为弹性变形本构：

(1)

式中，Gp=Ep/2(1+vp)；ε11、ε22、ε33—3个空间面的正应变；γ12、γ13、γ23—3个空间面上切应变；vp、vtp、vpt—3个方向上质点的泊松比；σ11、σ22、σ33、σ12、σ13、σ23—3个空间面上的正应力；Ep、Et—质点的弹性模量；Gp—剪切模量。

塑性本构模型采用M-C模型，如下式所示：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(2)

式中，F—剪切应力；φ—夹角，不超过90°；c—黏聚力；p、q—剪切面系数；Rmc与式(3)密切相关。

(3)

式中，Θ—偏心角。

基于冻土弹塑性本构模型，在ABAQUS仿真平台中进行土体冻胀分析，冻土摩擦角、剪胀角等物理力学参数均以胶东调水干渠地勘资料实测取值。模型中盐碱冻土体的温度参数采用热传导方程确定[11]，不考虑水分迁移引起的热力荷载转变，如式(4)所示为稳态传导，热膨胀系数设置为0.0033。

(4)

式中，λx、λy、λz—3个方向上导热系数分量；T—温度。

在沿线干渠中选取ZK6+125—ZK6+610区段为研究对象，利用ABAQUS仿真软件建立渠道几何模型，如图2所示。该模型两侧渠坡顶宽度分别为3m，渠底宽度为0.8m，渠坡为1/1.5，模型渠道长为490m，渠坡高度为2.04m，渠坡、渠基土均以盐碱固化土为原型，含水量设定为23.5%，土体干密度为1.58g/cm3。根据鲁东半岛地区年平均低温，设定为-10℃，此参数也为盐碱冻土外接温度边界条件，模型顶、底面分别设定为无约束、法向约束边界，而两侧分别具有水平向约束条件。

图2 渠道几何模型

盐碱冻土冻胀特性会改变渠道法向、切向冻胀力，而顶、底面冻土衬砌厚度差异性，会导致冻胀力不均衡性，易导致衬砌结构应力集中。因而，基于图2渠道模型，从衬砌结构盐碱土衬砌厚度设计入手，以渠坡脚衬砌厚度为对比参数，在衬砌厚度5～15cm的经验值下，设定衬砌厚度为6、8、10、12、14、16共6个研究方案，渠顶盐碱固化土厚度仍为6cm，图3为不同厚度的盐碱冻土衬砌模型方案。基于模型计算网格划分，图3中3个方案的微单元分别有3872、4388、4524个，同时各方案中渠道衬砌模型中热力学荷载等工况参数均为一致。

图3 渠道衬砌厚度模型

2 盐碱土衬砌结构冻胀力特征

2.1 法向冻胀力

基于不同厚度盐碱土衬砌结构冻胀仿真分析，获得了渠道衬砌板横断面上法向冻胀力变化特征，横断面上分为左、右两侧渠顶4m，中间渠内2m，如图4所示。

图4 渠道横断面上法向冻胀力变化特征

依据图中法向冻胀力可知，改变盐碱土衬砌厚度，法向冻胀力在横断面上变化特征具有一致性，呈“上凸”特征，即渠底法向冻胀力最大。当盐碱土厚度为8cm时，衬砌板横断面1m处法向冻胀力为3.52MPa，而横断面为5.5m处法向冻胀力较之前者提高了70.8%，但在横断面9m处法向冻胀力较之横断面5.5m处减少了41.4%，其他方案亦是如此。当盐碱土衬砌厚度增大，整体上法向冻胀力水平为递减，同是横断面7m处，厚度6cm方案下应力为5.11MPa，而在厚度10、14、16cm下较之分别减少了37.1%、53.2%、54.4%。从法向峰值冻胀力对比亦可知，厚度6cm时为7.3MPa，随盐碱固化土厚度每递增2cm，其峰值法向冻胀力平均可减少8.6%。进一步具体分析冻胀力与盐碱土衬砌厚度关系可知，在厚度12～16cm方案内，实质上峰值法向冻胀力降幅低于厚度6～12cm区间，对比可知，厚度6～12cm方案内，峰值法向冻胀力分布为4.6～7.3MPa，平均降幅为14.2%，最大降幅为14.9%，而在厚度12～16cm方案内，法向峰值冻胀力平均减少了2.8%，增大盐碱土衬砌厚度，但法向冻胀力降低效果有所减弱。

根据渠道衬砌板冻胀力计算，获得了图5所示各方案中法向冻胀力分布特征。分析可知，渠坡内两侧法向冻胀力分布具有对称性，且量值水平均低于渠底[8，12]；另一方面，峰值法向冻胀力分布于渠坡脚处，衬砌板应更关注渠坡处法向冻胀力分布。从抑制法向冻胀力考虑，衬砌厚度的选择可不需考虑冻胀力分布变化，仅需研究其对冻胀力量值水平影响。

2.2 切向冻胀力

衬砌结构冻胀力反映了盐碱固化土冻结与渠道稳定特性，同样根据冻胀力计算获得了各方案中横断面上切向冻胀力变化特征，如图6所示。不难看出，切向冻胀力随盐碱固化土衬砌厚度变化与法向冻胀力有所相似，均为“上凸”，且盐碱固化土衬砌厚度改变，不影响切向冻胀力的变化趋势。由此可知，冻胀力在法向、切向上量值表现皆不受盐碱土衬砌厚度参量影响[13]。对比切向、法向冻胀力可知，前者量值水平更高，在衬砌厚度8cm方案下，切向冻胀力在横断面上分布为9.6～18.7MPa，较之法向冻胀力增大了1.92～2.93倍。

图6 渠道横断面上切向冻胀力变化特征

当衬砌厚度递增时，横断面上切向冻胀力均为递减，盐碱土衬砌厚度6cm方案中横断面上均值切向冻胀力、峰值切向冻胀力分别为16.2MPa和21.5MPa，而随厚度每递增2cm，均值、峰值切向冻胀力分别平均可减少14.3%、10.3%。相比之下，切向冻胀力受盐碱土衬砌厚度影响敏感性高于法向冻胀力。从盐碱固化土衬砌厚度影响切向冻胀力阶段性可知，同样是在厚度6～12cm区间内，峰值切向冻胀力具有较大的降低幅度，如在厚度8～10cm间具有最大降幅13.5%，而在厚度12～16cm方案后，其切向冻胀力降幅处于较缓状态，峰值切向冻胀力平均降幅仅为1.6%。对比之下，不论是法向或切向冻胀力，均应关注盐碱固化土衬砌厚度6～12cm方案，避免衬砌厚度超过12cm。

3 盐碱土衬砌结构冻胀位移特征

基于衬砌结构冻胀仿真计算，获得了各厚度方案下衬砌板横断面上冻胀位移变化特征，如图7所示。由图中冻胀位移可看出，盐碱土厚度不同，其冻胀位移在横断面上变化特征具有差异性，当厚度为6～12cm方案内时，其冻胀位移呈先增后减的“上凸”特征，峰值位移均指向横断面6m，该部位位于渠坡坡脚处；当厚度为14～16cm时，冻胀位移具有二次递增特点，峰值冻胀位移转移至右侧渠坡，位于右侧渠坡横断面10m处。分析表明，盐碱土衬砌厚度不应过大，易导致在一侧形成冻胀位移不均衡，此与稳态热传导引起的渠坡位移“时差”性有关[3，14]。

图7 渠道横断面上冻胀位移变化特征

当盐碱土衬砌厚度递增，冻胀位移总体上为递减，但在衬砌厚度14cm和16cm方案内，二次递增段会形成更高水平的冻胀位移，甚至超过衬砌厚度10cm和12cm方案。在衬砌厚度6cm时，横断面上峰值冻胀位移为10.97mm，而厚度8cm和12cm方案下，峰值冻胀位移较之前者分别减少了8.4%和25.5%，而厚度14cm和16cm峰值冻胀位移分别达到7.5mm和7.1mm。从干渠盐碱土衬砌结构设计优化考量，冻胀位移反映了衬砌结构与盐碱土之间平衡作用，当盐碱土衬砌厚度超过12cm时，很容易导致渠坡出现失控冻胀位移量，失去了衬砌结构价值。因而，结合衬砌结构冻胀力、冻胀位移影响特性，干渠盐碱土衬砌厚度为12cm设计最合理。